CN107096997B - 一种基于连续激光的三维微结构刻写系统及方法 - Google Patents

一种基于连续激光的三维微结构刻写系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于连续激光的三维微结构刻写系统及方法，系统包括：连续激光器，用于发出激光；声光调制器，用于调节激光的功率；物镜，用于对声光调制器调节功率后的激光进行会聚，得到聚焦光束，聚焦光束的功率密度大于双光子吸收的阈值功率密度；光敏材料，用于在聚焦光束的作用下发生双光子聚合而固化，实现双光子聚合直写；三维纳米位移平台，用于承载光敏材料，并控制光敏材料在三维方向移动，以通过对光敏材料的逐层双光子聚合直写实现对光敏材料的三维微结构刻写。本发明实施例采用低成本的连续激光器作为刻写光源，并通过声光调制器调节刻写光源的功率，实现了基于连续激光器的三维微结构刻写，节省了成本。

Description

一种基于连续激光的三维微结构刻写系统及方法
技术领域
本发明属于微纳加工技术领域，更具体地，涉及一种基于连续激光的三维微结构刻写系统及方法。
背景技术
双光子聚合激光直写技术是一种将激光束会聚成极小的光点然后对光敏材料进行曝光，直接生成微纳结构的技术，其基本原理是双光子吸收效应和双光子聚合效应。双光子吸收效应是一种非线性效应，具有极强的阈值选择性，可以“直接写得”突破光学衍射极限的三维结构。由于双光子吸收需要强光激励，因此常常采用近红外波长的昂贵的飞秒激光器作为刻写光源。
综上，现有三维微结构刻写需要飞秒激光器作为刻写光源实现强光激励，成本较高。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决三维微结构刻写需要采用飞秒激光器以实现强光激励，成本较高的技术问题。
为实现上述目的，第一方面，本发明实施例提供了一种基于连续激光的三维微结构刻写系统，该系统包括：连续激光器、声光调制器、物镜、三维纳米位移平台以及光敏材料；所述连续激光器，用于发出激光；所述声光调制器，用于调节所述激光的功率；所述物镜，用于对声光调制器调节功率后的激光进行会聚，得到聚焦光束，聚焦光束束腰中心区域的功率密度大于双光子吸收的阈值功率密度；所述光敏材料，用于在所述聚焦光束的作用下发生双光子聚合而固化，实现双光子聚合直写，所述激光的波长不在所述光敏材料的吸收波长范围内，所述激光的半波长在所述光敏材料的吸收波长范围内，所述双光子吸收的阈值功率密度根据所述光敏材料确定；所述三维纳米位移平台，用于承载所述光敏材料，并控制所述光敏材料在三维方向移动，以通过对所述光敏材料的逐层双光子聚合直写实现对所述光敏材料的三维微结构刻写。
本发明实施例相对于普通双光子聚合激光直写采用近红外波长的昂贵的飞秒激光器，本发明采用低成本的连续激光器作为刻写光源，并通过声光调制器调节连续激光器发出的刻写激光光源的功率，使得聚焦光束的功率密度大于双光子吸收的阈值功率密度，实现了基于连续激光器的三维微结构刻写，大大节省了成本。
在一个可选的实施例中，该系统还包括：两个压缩光束凸透镜，用于对所述连续激光器发出的激光进行光束压缩，并将光束压缩后的激光射入所述声光调制器。
具体地，光束在射入声光调制器前，使用两个凸透镜压缩激光光束使得声光调制器可以达到更高的衍射效率，从而保证聚焦光束能量达到足够大，以使聚焦光束束腰中心区域的功率密度足够大使得光敏材料与聚焦光束束腰中心区域作用部分可以进行双光子聚合直写。
在一个可选的实施例中，该系统还包括：两个扩束凸透镜，用于对声光调制器调节功率后的激光扩束，并将扩束后的激光射入物镜。
具体地，在激光光束在射入聚焦空间物镜前，经过两个凸透镜扩束，由高斯光束的聚焦特性可知，这样可以使得物镜能够获得更小直径的聚焦光束，以使得聚焦光束束腰中心区域的功率密度更大。
在一个可选的实施例中，三维纳米位移平台控制所述光敏材料在三维方向移动到聚焦光束的束腰中心区域所在位置，以实现对待进行双光子聚合直写区域的双光子聚合直写。
具体地，通过移动三维纳米位移平台改变平台与激光焦点束腰(激光聚焦光束束腰中心区域)的相对位置，一方面利用了三维纳米位移平台移动的高精度，使得刻写位置的控制更为精确；另一方面也避免了通过移动激光焦点(聚焦光束束腰位置)实现三维微结构刻写所带来的抖动使得对光敏材料的三维微结构的加工更为稳定。
在一个可选的实施例中，该系统还包括：玻璃基片、互补性金属氧化物半导体相机以及控制模块。玻璃基片设置在三维纳米位移平台，用于承载光敏材料，并将对光敏材料进行双光子聚合直写聚焦光束对应的的激光反射；互补性金属氧化物半导体(ComplementaryMetal-Oxide Semiconductor，CMOS)相机用于接收从玻璃基片反射的激光，并将玻璃基片反射的激光的信息发送给控制模块；控制模块用于根据玻璃基片反射的激光的信息对三维纳米位移平台和声光调制器进行控制，以完成对光敏材料的三维微结构刻写。在一个可选的实施例中，该系统还包括：二向色片，用于接收两个扩束凸透镜扩束后的声光调制器调节功率后的激光，并使其射入物镜；二向色片，还用于对所述玻璃基片反射的激光进行透射，使得所述互补性金属氧化物半导体相机接收从所述玻璃基片反射的激光。
具体地，玻璃基片将对光敏材料进行双光子聚合直写的聚焦光束对应的激光反射，经过二向色片透射后，CMOS相机接收到反射的激光信息，该信息可反映为所述聚焦光束与玻璃基片作用区域的光斑信息。对光敏材料进行三维微结构加工起始阶段，可通过CMOS相机接收的光斑信息将待进行双光子聚合直写的区域移动到聚焦光束的束腰中心区域位置。其中，在聚焦光束的束腰位置对应的光斑大小为最小，且在聚焦光束束腰中心区域对应的激光功率密度为最大，当聚焦光束束腰中心区域的功率密度大于双光子吸收的阈值功率密度时，聚焦光束束腰中心区域对其作用的光敏材料进行双光子聚合直写。
在一个可选的实施例中，物镜为放大倍率为100倍数值孔径为1.4的物镜。
具体地，使用放大倍率为100倍数值孔径1.4的物镜，高数值孔径可以获得直径更小的聚焦光束，使得聚焦光束束腰中心区域的功率密度更大。
在一个可选的实施例中，光敏材料为正性光刻胶或负性光刻胶。
在一个可选的实施例中，光敏材料，还用于在三维微结构刻写结束后，在显影液的作用下确定刻写的三维微结构。
第二方面，本发明实施例提供了一种基于连续激光的三维微结构刻写方法，该方法包括：通过连续激光器发出激光；调节所述激光的功率；对调节功率后的激光进行会聚，得到聚焦光束，所述聚焦光束束腰中心区域的功率密度大于双光子吸收的阈值功率密度；使得光敏材料在所述聚焦光束的作用下发生双光子聚合而固化，实现双光子聚合直写，所述激光的波长不在所述光敏材料的吸收波长范围内，所述激光的半波长在所述光敏材料的吸收波长范围内，所述双光子吸收的阈值功率密度根据所述光敏材料确定；控制所述光敏材料在三维方向移动，以通过对所述光敏材料的逐层双光子聚合直写实现对所述光敏材料的三维微结构刻写。
在一个可选的实施例中，该方法还包括：将所述激光进行光束压缩，并调节光束压缩后的激光的功率。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、采用低成本的连续激光器作为刻写光源，并通过声光调制器调节连续激光器发出的激光的功率，使得聚焦光束束腰中心区域的功率密度大于双光子吸收的阈值功率密度，实现了基于连续激光器的三维微结构刻写，大大节省了成本。
2、光束在射入声光调制器前，使用两个凸透镜压缩激光光束使得声光调制器可以达到更高的衍射效率，从而保证聚焦光束能量达到足够大，以使聚焦光束束腰中心区域的功率密度足够大使得光敏材料与聚焦光束束腰中心区域作用部分可以进行双光子聚合直写。
3、在激光光束在射入聚焦空间物镜前，经过两个凸透镜扩束，由高斯光束的聚焦特性可知，这样可以使得物镜能够获得更小直径的聚焦光束，以使得聚焦光束束腰中心区域的功率密度更大。
4、使用放大倍率为100倍数值孔径1.4的物镜，高数值孔径可以获得直径更小的聚焦光束，使得聚焦光束中心区域的功率密度更大。
5、通过移动三维纳米位移平台改变平台与激光聚焦光束束腰中心区域的相对位置，一方面利用了三维纳米位移平台移动的高精度，使得刻写位置的控制更为精确；另一方面也避免了通过移动聚焦光束束腰位置实现三维微结构刻写所带来的抖动使得对光敏材料的三维微结构的加工更为稳定。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于连续激光的三维微结构刻写系统结构示意图；
图2为本发明实施例提供的基于连续激光的三维微结构刻写方法流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为本发明实施例提供的基于连续激光的三维微结构刻写系统结构示意图，参照图1，包括：连续激光器1、凸透镜2、凸透镜3、声光调制器4、反射镜5、反射镜6、凸透镜7、凸透镜8、二向色片9、物镜10、玻璃基板11、三维纳米位移平台12、光敏材料13、COMS相机14以及控制模块15。
其中，凸透镜2、凸透镜3以及声光调制器4依次与连续激光器1发出激光的出射方向垂直。反射镜5与经过声光调制器4后的激光的夹角为45度，反射镜6与经过反射镜5反射后的激光的夹角为45度。凸透镜7和凸透镜8依次与经过反射镜6反射后的激光垂直。二向色片9与经过凸透镜8后的激光的夹角为45度。物镜10与经过二向色片9反射后的激光垂直。
光敏材料13旋涂在玻璃基板11上，玻璃基板11设置在三维纳米位移平台12，三维纳米位移平台12控制光敏材料11在三维方向移动。
反射镜5、反射镜6以及二向色片9均用于改变激光光路的方向，本领域技术人员可根据实际需要进行调节，也可根据实际需要增加或者减少反射镜的数量，本发明实施例不对此做任何限定。
连续激光器1、声光调制器4、三维纳米位移平台12以及CMOS相机14均与控制模块15相连接，控制模块15用于控制连续激光器1发出激光的功率、以及控制声光调制器4对连续激光器1发出激光的功率的进一步调制。控制模块15还用于控制三维纳米位移平台12在三维方向移动。
CMOS相机14采集激光对应的光斑信息，并将光斑信息发送给控制模块15，以使用户根据控制模块15接收的光斑信息将待进行双光子聚合直写的区域移动到激光聚焦光束的束腰位置。
本发明实施例选取连续激光器发出激光的波长不在光敏材料的吸收波长范围内，使得该激光不会使光敏材料因发生单光子吸收效应而曝光。单光子吸收效应为当激光波长在光敏材料吸收波长范围内时，光敏材料将吸收激光的光子而曝光。本发明实施例选取连续激光器发出激光的波长不在光敏材料的吸收波长范围内，且该激光的半波长在光敏材料吸收波长范围内，使得当该激光的功率密度大于光敏材料对应的双光子吸收的阈值功率密度时，光敏材料发生双光子吸收效应吸收激光的光子而曝光。
因此，本发明实施例在选取合适的激光波长和光敏材料后，基于双光子吸收效应的理论下，可通过控制聚焦光束束腰处的功率密度最大，且仅在束腰中心区域处功率密度大于光敏材料对应的双光子吸收的阈值功率密度，以实现基于双光子聚合的三维微结构刻写。
其中，连续激光器1用于提供刻写光源；声光调制器4用于作为光路的开关，以及调节激光的功率；物镜10用于对声光调制器4调节功率后的激光会聚，得到聚焦光束，聚焦光束的功率密度大于双光子吸收的阈值功率密度，双光子吸收的阈值功率密度根据光敏材料13的材质确定，不同光敏材料对应的双光子吸收的阈值功率密度不同；光敏材料13用于在聚焦光束的作用下发生光聚合而固化，实现双光子聚合直写；三维纳米位移平台12用于承载光敏材料，并控制光敏材料13在三维方向移动，以通过对光敏材料13的逐层双光子聚合直写实现对光敏材料13的三维微结构刻写。
凸透镜2和凸透镜3为两个压缩光束凸透镜，用于对连续激光器1提供的激光压缩光束，并将其射入声光调制器4。凸透镜7和凸透镜8为两个扩束凸透镜，用于对声光调制器4调节功率后的激光进行扩束，并将其射入物镜10。三维纳米位移平台12具体用于控制光敏材料中待进行双光子聚合直写的区域移动到聚焦光束的束腰中心区域位置，以实现对待进行双光子聚合直写区域的直写。玻璃基片11设置在三维纳米位移平台12，用于承载光敏材料13，并将对光敏材料13进行双光子聚合直写的激光反射；CMOS相机14用于接收从玻璃基片11反射的激光，并将玻璃基片11反射的激光的信息发送给控制模块15；控制模块15用于根据玻璃基片11反射的激光的信息对三维纳米位移平台12和声光调制器4进行控制，以完成对光敏材料的三维微结构刻写。
二向色片9用于接收两个扩束凸透镜扩束后的声光调制器4调节功率后的激光，并使其射入物镜10；二向色片9还用于对所述玻璃基片11反射的激光进行透射，使得CMOS相机14接收从所述玻璃基片11反射的激光。
在一个示例中，连续激光器1可以选取波长为473nm的激光。物镜10为放大倍率为100倍数值孔径为1.4的物镜。光敏材料13可以选取选择吸收波长小于473nm的光敏树脂，可以采用正性光刻胶和负性光刻胶。常见的正性光刻胶有AZ9260、AZ MiR 701、SCR500等，负性光刻胶有SU-8。直写结束后，通过对应光刻胶配套的显影液显影去掉未交联的材料得到所需的三维微结构。
其中，光敏材料的吸收波长需小于473nm，使得连续激光器发出的473nm激光不会使光刻胶因发生单光子吸收效应而曝光。
本发明实施例相对于普通双光子聚合激光直写采用近红外波长的昂贵的飞秒激光器，本发明采用低成本的连续激光器作为刻写光源，并通过声光调制器调节连续激光器发出的刻写光源的功率，使得聚焦光束束腰中心区域的的功率密度大于光敏材料的双光子吸收的阈值功率密度，实现了基于连续激光器的三维微结构刻写，大大节省了成本。
本发明实施例通过选择吸收波长小于473nm的光敏材料，使得该激光不会使光敏材料因发生单光子吸收效应而曝光，而100倍大数值孔径物镜聚焦下的激光的焦点中心功率密度极大会使得光敏材料因发生双光子吸收聚合反应而固化，即本发明实施例选择的光刻胶仅在聚焦光束光束束腰中心区域的功率密度大于光敏材料对应的双光子吸收的阈值功率密度时，才会发生双光子吸收效应而曝光，同时，在聚焦光束束腰中心区域以外区域的激光的功率密度小于该阈值功率密度，从而实现三维微结构的制备。
在一个具体的示例中，473nm的激光经过凸透镜2和凸透镜3压缩光束后射入声光调制器4，然后经反射镜5和反射镜6反射后射入凸透镜7和凸透镜8扩束后射向二向色片9，最后射入100倍物镜10聚焦后将其聚焦点打在位于玻璃基板11上的光敏材料13，从而使焦点处的光敏材料曝光。CMOS相机14通过接收从玻璃基板11反射回的激光从而对加工过程实现实时监控。光敏材料13旋涂在玻璃基板11上，并将玻璃基板11固定在三维位移平台12上，通过运动控制系统15控制三维位移平台12的运动，从而改变了光敏材料13与激光聚焦点的相对位置，使光敏材料13的不同位置曝光固化。
控制模块15控制连续激光器1发出的刻写(激光)光源的功率，以及根据CMOS相机14采集的光敏材料处激光的功率等信息控制声光调制器4以调节刻写光源的功率。同时，控制模块15根据CMOS相机14采集的光敏材料13处激光的功率等信息可以控制三维纳米位移平台12的运动轨迹，实现对光敏材料13的三维微结构刻写。
具体地，基于本发明实施例提供的三维微结构刻写系统的刻写流程可包括下述步骤：
(1)通过CMOS相机14和控制模块15调节光敏材料13在合适的加工起始位置。
(2)将加工模型导入控制模块15的直写控制软件中生成相应的加工数据。
(3)控制模块15执行加工数据，一方面控制三维位移平台12按照预定的轨迹运动，另一方面控制声光调制器4，以在合适的位置以合适的光功率使相应位置的光敏材料13发生光聚合而固化，从而实现双光子聚合直写；双光子聚合激光直写，需逐层扫描，如此逐层直写最终形成三维微结构。
(4)直写完毕后，使用显影液去除掉未交联的光敏材料即得到所需微结构。
本发明所使用的刻写光源为473nm固体激光器，其发出激光为连续激光。相比传统双光子聚合激光直写系统使用近红外飞秒激光器作为刻写光源，大大节省成本。
在一些方案中，使用机械快门作为光路开关。而本发明实施例使用声光调制器作为光路开关和调节激光功率，调制更为精确，且获得更为和快速的响应速率。光束在射入声光调制器前，使用两个凸透镜压缩激光光束使得声光调制器可以达到更高的衍射效率，从而保证后续聚焦光能量达到足够大。
另外，本发明实施例在激光光束在射入聚焦空间物镜前，经过两个凸透镜扩束，由高斯光束的聚焦特性可知，这样可以获得直径更小的聚焦光束，使得聚焦光束功率密度更大。本发明实施例使用放大倍率为100倍数值孔径1.4的物镜，高数值孔径可以获得直径更小的聚焦光束，使得聚焦光束束腰中心区域的功率密度更大。
本发明实施例通过移动三维纳米位移平台改变平台与光束束腰中心区域的相对位置，一方面利用了三维纳米位移平台移动的高精度，使得位置的控制更为精确；另一方面也避免了移动激光光束所带来的抖动使得对光敏材料的三维微结构的加工更为稳定。
实验表明，本发明实施例提供的系统通过各组件的有机组合，实现了连续激光下任意三维亚微米结构的刻写，分辨率可达到几百纳米。
图2为本发明实施例提供的基于连续激光的三维微结构刻写方法流程示意图，包括步骤S101-步骤S105。
S101，通过连续激光器发出激光。
S102，调节所述激光的功率。
S103，对调节功率后的激光会聚，得到聚焦光束，所述聚焦光束束腰中心区域的功率密度大于双光子吸收的阈值功率密度。
S104，使得光敏材料在所述聚焦光束的作用下发生双光子聚合而固化，实现双光子聚合直写，所述激光的波长不在所述光敏材料的吸收波长范围内，所述激光的半波长在所述光敏材料的吸收波长范围内，所述双光子吸收的阈值功率密度根据所述光敏材料确定。
S105，控制所述光敏材料在三维方向移动，以通过对所述光敏材料的逐层双光子聚合直写实现对所述光敏材料的三维微结构刻写。
在一个可选的实施例中，将激光进行光束压缩，并调节压缩光束后的激光的功率。
需要说明的是，图2所示的方法与图1所示的系统是相对应的，具体可参照图1中的介绍，在此将不做赘述。
以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于连续激光的三维微结构刻写系统，其特征在于，包括：连续激光器、声光调制器、物镜、三维纳米位移平台、两个压缩光束凸透镜、两个扩束凸透镜以及光敏材料；
所述连续激光器，用于发出激光；
所述声光调制器，用于调节所述激光的功率；
所述物镜，用于对声光调制器调节功率后的激光进行会聚，得到聚焦光束，所述聚焦光束束腰中心区域的功率密度大于双光子吸收的阈值功率密度；
所述光敏材料，用于在所述聚焦光束的作用下发生双光子聚合而固化，实现双光子聚合直写，所述激光的波长不在所述光敏材料的吸收波长范围内，所述激光的半波长在所述光敏材料的吸收波长范围内，所述双光子吸收的阈值功率密度根据所述光敏材料确定；
所述三维纳米位移平台，用于承载所述光敏材料，并控制所述光敏材料在三维方向移动，以通过对所述光敏材料的逐层双光子聚合直写实现对所述光敏材料的三维微结构刻写；
所述两个压缩光束凸透镜，用于对所述连续激光器发出的激光进行光束压缩，并将光束压缩后的激光射入所述声光调制器；
所述两个扩束凸透镜，用于对声光调制器调节功率后的激光扩束，将扩束后的激光射入所述物镜；
所述三维纳米位移平台控制所述光敏材料在三维方向移动到所述聚焦光束束腰中心区域所在位置，以实现对待进行双光子聚合直写区域的所述光敏材料进行双光子聚合直写。
2.根据权利要求1所述的三维微结构刻写系统，其特征在于，还包括：玻璃基片、互补性金属氧化物半导体相机以及控制模块；
所述玻璃基片，设置在所述三维纳米位移平台，用于承载所述光敏材料，并将对光敏材料进行双光子聚合直写的聚焦光束对应的激光反射；
所述互补性金属氧化物半导体相机，用于接收从所述玻璃基片反射的激光，并将所述玻璃基片反射的激光的信息发送给所述控制模块；
所述控制模块，用于根据所述玻璃基片反射的激光的信息对所述三维纳米位移平台和所述声光调制器进行控制，以完成对所述光敏材料的三维微结构刻写。
3.根据权利要求2所述的三维微结构刻写系统，其特征在于，还包括：二向色片；
所述二向色片，用于接收所述两个扩束凸透镜扩束后的声光调制器调节功率后的激光，并使其射入所述物镜；还用于对所述玻璃基片反射的激光进行透射，使得所述互补性金属氧化物半导体相机接收从所述玻璃基片反射的激光。
4.根据权利要求1至3任一项所述的三维微结构刻写系统，其特征在于，所述物镜为放大倍率为100倍、数值孔径为1.4的物镜。
5.根据权利要求1至3任一项所述的三维微结构刻写系统，其特征在于，所述光敏材料为正性光刻胶或负性光刻胶。
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